Naslov (srp)

Optimizacija kvaliteta materijala dobijenog hidrotermalnom karbonizacijom i njegova primena u adsorpciji teških metala iz vodenih rastvora : doktorska disertacija

Autor

Kojić, Marija, 1992-

Doprinosi

Trivunac, Katarina, 1971-
Ercegović, Marija, 1979-
Marinković, Aleksandar D., 1970-
Marinović-Cincović, Milena, 1981-
Onjia, Antonije, 1966-
Vasić, Milica
Perić-Grujić, Aleksandra, 1966-

Opis (eng)

The subject of research of this doctoral dissertation is the optimization of the material qualityobtained by hydrothermal carbonization (HTC) of the spent mushroom substrate (SMS) ofAgaricus bisporus and the examination of application of the obtained hydrochar (HC) as anadsorbent of Pb2+ and Cd2+ ions from aqueous solutions.The influence of process temperature on the physicochemical, structural and fuelcharacteristics of the SMS and HC obtained at 180, 200, 220, 240 and 260 °C (HC-180, HC-200, HC-220, HC-240 and HC-260) was investigated. The hydrothermal process had a positiveeffect on the fuel characteristics of the HC, which was visible through the increase of the fixedcarbon, higher heating value and energy densification, as well as the reduction of volatile matterin relation to the raw biomass. Structural and morphological characteristics of SMS and HCwere determined using SEM and FTIR analysis. SEM analysis showed the formation ofmicrospheres and cracks on the surface of the chars, while FTIR spectra confirmed thedominant presence of the aromatics and oxygen-rich functional groups. The thermal behaviorof the tested material was assessed using the thermogravimetric and differential thermal(TGA/DTA) analysis. The kinetic and thermodynamic parameters were determined using themodel-ree methods: Flynn-Wall-Ozawa (FWO) and Kissinger-Akahira-Sunose (KAS). Themethods of thermal analysis have confirmed that HTC is a promising treatment for theconversion of SMS to high-energy carbon material.The possibility of using HC as a sorbent of Pb2+ and Cd2+ ions from aqueous solutions wasinvestigated. In order to select the optimal HC to be used as a sorbent of the invastigated heavymetals, a preliminary adsorption test was performed to determine the adsorption capacities ofthe carbon materials used. The HC-200 showed the best performance for the removal of thesemetals, whose sorption capacities for Pb2+ and Cd2+ ions were 98 mg g–1 and 41 mg g–1,respectively. In order to improve the adsorption capacity of the selected chars, thephysicochemical activation was performed. The HC-200 was first treated with a 20% solutionof CaCl2·5H2O, and then physically activated by pyrolysis at 500 °C. The obtained material waslabeled as Calcium-pyro-hydrochar (Ca-PHC). The characterization of selected hydrocharbefore and after modification by SEM, BET and FTIR analysis was performed, and then theiradsorption performance was examined. The Ca-PHC showed a significantly better ability toremove Pb2+ and Cd2+ ions from aqueous solutions, and therefore it was further used toinvestigate the adsorption process.Adsorption experiments of Pb2+ and Cd2+ ions were performed in the batch system, to optimizethe following operating parameters: pH, adsorbent mass, initial metal ion concentration, contacttime and temperature. The maximum sorption capacities of Ca-PHC for Pb2+ and Cd2+ ionswere 297 mg g–1 and 131 mg g–1, respectively. Based on the obtained results, it was shownthat the sorption process can be described by the Freundlich isotherm and followed a pseudo-other kinetic model. Thermodynamic parameters showed that the binding of metal ions to thesorbent was a spontaneous and endothermic process.The results obtained by examining the kinetics of the process and the mechanism of ionexchange, and the characterization of Ca-PHC found that metal ions bind to the sorbent surfaceby ion-exchange mechanism, surface complexation, mineral deposition and cation-πinteraction.The presented results suggest that HTC as an environmentally friendly technology may be thegood solution for the conversion of wet biomass into high-energy material. In addition, theobtained HCs showed satisfying adsorption performance and and its adsorption capacity wasfurther improved by physicochemical activation. Based on the above, it can be concluced thatthe newly synthesized carbon material, Ca-PHC, from the SMS is a highly efficient biosorbentof Pb2+ and Cd2+ ions from aqueous solutions, whose use may contribute the circular economyand waste minimization in the growing mushroom industry.

Opis (srp)

Predmet istraživanja ove doktorske disertacije je optimizacija kvaliteta materijala dobijenoghidrotermalnom karbonizacijom (HTC) iskorišćenog supstrata gljiva Agaricus bisporus (eng.Spent Mushroom Supstrate - SMS) i ispitivanje primene dobijenih hidročađi supstrata (HC) kaoadsorbenta jona Pb2+ i Cd2+ iz vodenih rastvora.Ispitivan je uticaj procesne temperature na fizičko-hemijske, strukturne i gorivne karakteristikeSMS-a i HC dobijenih na 180, 200, 220, 240 i 260 °C (HC-180, HC-200, HC-220, HC-240 i HC-260). Zaključeno je da je hidrotermalni proces pozitivno uticao na gorivne karakteristike HC,što je vidljivo kroz povećanje vezanog ugljenika, gornje toplotne moći i energetske gustine, kaoi kroz smanjenje sadržaja isparljivih materija u odnosu na sirovu biomasu. Strukturne imorfološke karakteristike ispitivanih materijala su određene korišćenjem skenirajućegelektronskog mikroskopa (SEM) i tehnikom infracrvene spektroskopije sa Furijeovomtransformacijom (FTIR). SEM analiza je pokazala formiranje mikrosfera i pukotina na površiniHC, dok je FTIR spektroskopijom utvrđeno dominantno prisustvo aromatičnih i kiseoničnihfunkcionalnih grupa (KFG). Termičko ponašanje ispitivanih materijala je procenjeno na osnovutermogravimetrijske i diferencijalne termičke (TGA/DTA) analize. Određeni su kinetički itermodinamički parametri korišćenjem model-free metoda: Flynn-Wall-Ozawa (FWO) iKissinger-Akahira-Sunose (KAS). Metodama termičke analize je potvrđeno da je HTCperspektivan tretman konverzije SMS-a u visoko-energetski ugljenični materijal.Ispitana je mogućnost primene HC kao sorbenta jona Pb2+ i Cd2+ iz vodenih rastvora. Kako bise izvršio odabir optimalne HC koja će se koristi kao sorbent ispitivanih teških metala, izvršenje preliminarni adsorpcioni test, radi utvrđivanja adsorpcionih kapaciteta korišćenih ugljeničnihmaterijala. HC-200 je pokazao najbolje performanse za uklanjanje ovih metala, čiji je sorpcionikapacitet za jone Pb2+ i Cd2+ iznosio 98 mg g–1, odnosno 41 mg g–1. Kako bi se dodatnopoboljšao kapacitet adsorpcije HC-200, izvršena je njegova fizičko-hemijska aktivacija. Prvo jeuzorak tretiran 20% rastvorom CaCl2·5H2O, a zatim je fizički aktiviran procesom pirolize na 500°C, pri čemu je sintetisan nov ugljenični materijal nazvan Kalcijum-piro-hidročađ (Ca-PHC).Detaljna karakterizacija odabrane hidročađi pre i posle modifikacije izvršena je SEM analizom,Brunauer-Emmett-Teller (BET) analizom specifične površine i poroznosti, i FTIRspektroskopijom, a zatim su ispitane njihove adsorpcione performanse. Ca-PHC je pokazaoznatno bolju sposobnost da uklanja jone Pb2+ i Cd2+ iz vodenog rastvora u poređenju sa HC,pa je stoga dalje korišćen za detaljnije ispitivanje adsorpcionih procesa.Adsorpcioni eksperimenti uklanjanja jona Pb2+ i Cd2+ su urađeni u šaržnom sistemu, kako bi seizvršila optimizacija radnih parametara: pH, mase adsorbenta, početne koncentracije jonametala, vreme kontakta i temperature. Maksimalni sorpcioni kapaciteti Ca-PHC za jone Pb2+ iCd2+ iznosili su 297 mg g–1, odnosno 131 mg g–1. Pokazano je da se proces sorpcije možeopisati Frojndlihovom izotermom i da prati kinetički model pseudo-drugog reda.Termodinamički parametri pokazali su da je vezivanje jona metala za sorbent spontan iendoterman proces. Na osnovu dobijenih rezultata utvrđeno je da se joni metala vezuju zapovršinu sorbenta mehanizmom jonske izmene, površinskom kompleksacijom i katjon-πinterakcijom.Prikazani rezultati sugerišu da HTC kao ekološki prihvatljiva tehnologija može biti dobro rešenjeza konverziju vlažne otpadne biomase u visoko-energetske materijale. Pored toga, dobijeneHC su pokazale dobre adsorpcione performanse, a kapacitet adsorpcije im je dodatnopoboljšan fizičko-hemijskom aktivacijom. Na osnovu predstavljenog, može se zaključiti da jenovosintetisani ugljenični materijal, Ca-PHC, iz iskorišćenog supstrata gljiva visoko efikasanbiosorbent Pb2+ i Cd2+ jona iz vodenih rastvora, čijom se upotrebom na taj način može doprineticirkularnoj ekonomiji i minimiziranju otpada u rastućoj industriji pečuraka.

Opis (srp)

Hemijske nauke / Chemical sciences Datum odbrane: 16.11.2022.

Jezik

srpski

Datum

2022

Licenca

© All rights reserved

Predmet

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Neorganska hemijska tehnologija

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Ispitivanje materijala. Inženjerstvo materijala

Spent mushroom substrate, Hydrothermal carbonization, Hydrochar, Physico-chemical activation, Calcium-pyro-hydrochar, Adsorption; Lead; Cadmium

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Neorganska hemijska tehnologija

OSNO - Opšta sistematizacija naučnih oblasti, Ispitivanje materijala. Inženjerstvo materijala

Iskorišćeni supstrat gljiva, Hidrotermalna karbonizacija, Hidročađ, Fizičko- hemijska aktivacija, Kalcijum-piro-hidročađ, Adsorpcija; Olovo; Kadmijum